1.3 灰铸铁

从现在物理冶金学观点看，铸铁是一种铁碳硅合金，一般碳质量分数为2.0%～4.0%，硅质量分数为1%～5%。此外，铸铁还含有锰、磷、硫及其他元素。按铸铁中是否有石墨，可以把铸铁分成灰铸铁和白口铸铁；按铸铁中的石墨形态的不同，可以把铸铁分成灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁；按铸铁是否含有除常规元素以外的其他合金元素，可把铸铁分成普通铸铁和合金铸铁。

化学成分分析结果表明古代铸铁基本上不含硅，因为那个时代人类还没有发现硅元素，按铁碳相图来讲古代铸铁只能是白口铸铁，古代人类采用柔化处理，在不同生产工艺条件影响下形成球状、团球状、团絮状石墨，但不会有片状石墨出现。硅是现代铸铁的标志，此外焦炭的发明，铁碳相图理论认知，孕育处理、球化处理都是现代铸铁理论与实践结合的积累过程。

灰铸铁的发展首先以获得100%珠光体基体组织为目标来获得比珠光体和铁素体混合体基体组织铸铁具有更高的强度和耐磨性。这种铸铁往往要求伴随着A型石墨、较细小的共晶团以及根据铸件壁厚严密控制化学成分。由于这种工艺要求严格复杂，成本高昂，至今已不再采用。

在提高灰铸铁强度过程中，刚性铸铁曾经起过重要作用。刚性铸铁就是靠加入大量（50%～80%）废钢获得较低碳、硅含量的铸铁。这种铸铁具有珠光体组织和很高的力学性能，由于碳当量低，熔炼过热度高，会促使形成过冷石墨，材料断面敏感性差，制作壁厚悬殊铸件时难免在薄壁处出现白口，因而限制了应用。

现代灰铸铁的重要革新当属孕育铸铁的发明。1922 年美国人A.M.Meehan 将硅钙合金加入碳、硅含量较低的铁液中进行孕育处理，使铸铁的强度明显提高，铸件本体强度达到350MPa，而且消除了过冷石墨，改善了断面均匀性。

进一步提高灰铸铁力学性能的方法就是采取合金化与孕育处理联合工艺，为此加入质量分数不超过3%的合金元素（如Ni、Cr、Mo、Cu等）。由于合金的加入，使珠光体分散度提高，形成了索氏体，铸铁抗拉强度能达到400～450MPa。加入适量的Mo可得到针状珠光体组织，这种组织的灰铸铁能够获得450～600MPa的抗拉强度。这种工艺所获得的低合金孕育铸铁可以得到很高的力学性能，但必须在过热的条件下实现，否则就会产生过冷石墨，必须要强化孕育处理。

灰铸铁的现代发展历史主要是以追求高强度为驱动力的，自1860年工业革命初期，灰铸铁的抗拉强度只有60～80MPa，发展至今日其抗拉强度已超过400MPa。从早期的孕育处理应用到合金化处理工艺实践，铸铁的性能逐步提高，但机械装备对铸件综合力学性能的要求也在逐渐提高：机械加工设备的高速切削要求铸件具有良好的可加工性；机床的轻量化、铸件的薄壁化要求铸铁有更良好的铸造性能；机床的高精度和精度保持性要求铸铁有较低的铸造应力等。灰铸铁如何在高碳当量的前提下改善力学性能和可加工性成为当前尤为重要的技术课题。